光の波動性排除：二重スリット実験の新たな量子解釈をブラジル研究チームが発表

2025年4月、ブラジルのサンパウロ連邦大学（Federal University of São Carlos）に所属するセルソ・J・ヴィラス＝ボアス氏と共同研究者らは、量子物理学の根幹に関わる新たな理論的解釈を学術誌『Physical Review Letters』に発表した。この研究は、光の波動性を援用することなく、二重スリット実験で観測される干渉縞を完全に説明できる可能性を示唆している。この成果は、量子論における波と粒子の二重性に関する長年の議論に新たな視点を提供するものである。

この理論の中核は、干渉パターンが光子の異なる量子状態のみを考慮することで生じるとする点にある。具体的には、光が検出器と相互作用しない「ダーク状態（dark states）」が暗い縞（暗線）を説明し、検出器と相互作用する「ブライト状態（bright states）」が明るい縞（明線）を説明するという数学的分析に基づいている。このアプローチは、古典的な波の重ね合わせの概念を排し、光の干渉を純粋に粒子記述と線形システムの重ね合わせの原理を用いて解明することを可能にする。

本研究は、トーマス・ヤングが1801年に光の波動性を示すために実施した初期の二重スリット実験以来の定説に挑戦する。ヤングの実験は光の波動性の決定的な証拠と見なされてきたが、ヴィラス＝ボアス氏らのモデルでは、干渉の発生源が光子の検出器との相互作用の有無にあると再定義される。この解釈によれば、破壊的干渉の領域にも光子は依然として存在しており、単に検出器の原子を励起できない「完全に暗い状態」にあることを示唆している。

この理論的枠組みは、光の放射と物質（二準位原子）の相互作用を記述する標準モデルであるジェインズ＝カミングス・ハミルトニアンを数学的基盤としている。研究チームは、光の集団的状態が「完全に暗い状態」「最大限に超放射状態」、そして中間的な状態の三つの明確なクラスに分類されることを示した。この発見は、平均電場がゼロになる場合でも、光と物質の間で非自明な光・物質ダイナミクスを予測する量子力学の予測と整合させる試みでもある。

この新たな解釈は、量子論の基礎に関する継続的な探求の一環であり、2025年にはスティーブンス工科大学などによる波動性・粒子性の定量化に関する関連研究も進められている。ヴィラス＝ボアス氏らの研究は、光の真の性質を巡る議論に新たな解釈を提供する。さらに、「ダーク状態」の概念は、熱放射、例えば太陽光にも、物質と相互作用しない「隠れた」エネルギーが存在する可能性を示唆しており、将来的な実験検証の道筋を開く。この知見は、従来エネルギーとして捕捉できなかった光の状態を「破壊」し、エネルギーを回収する次世代の量子太陽光発電技術への応用可能性を秘めている。

この研究の公表後、関連するYouTube動画が70万回以上再生されるなど、一般社会の関心も集まっている。この理論は、光の干渉を粒子ベースで説明することで、波と粒子の二重性を覆すものではないものの、その理解を深める新たな視点を提供すると評価されている。多くの教育機関では、実用的な設定で有効な近似として波動モデルが引き続き教えられ続けると見られるが、基礎物理学の理解を深める上で重要な一歩である。